跨境管道調控中心可視化系統搭建

劉雪亮 向奕帆 魏廣峰 楊志遠 安振山 劉銳 吳秀亮 王永軍

（中油國際管道有限公司）

中油國際管道公司作為中國石油海外油氣管道專業化公司，分別在烏、哈、塔、吉、緬五國設有8家合資公司1家獨資公司，管道總里程約11 000 km，構建起了我國西北、西南兩大戰略能源通道，為保障國家能源供應、建設美麗中國發揮了重要作用。中油國際管道海外油氣調控中心作為公司的綜合運營指揮中心，主要職能是對所屬長輸油氣管道按需實施集中監視、調度指揮、管網優化、以及對突發事件的應急指揮和應急管理。同時，還承擔著展示企業文化、塑造企業形象的對外窗口職能。2019年成功組織了“一路一帶”跨境油氣管道應急演練，接受了能源局、外交部等部委的考察并獲好評。文中通過此次調控中心可視化系統的建設及運營后達到的實際效果進行分析總結，為今后其他項目的建設、擴容、發展提供更貼合實際的參考。

1 可視化系統的概念及特點

1.1 可視化系統的概念

可視化是一種計算和處理的方法。它通過計算機將枯燥的二維數據、二維信息轉化為可以讓體驗者直接觀看到的形象生動的畫面、動畫等形式，也可以將抽象的信息轉換為具體直觀的信息。智慧管道可視化系統能夠將公司運營的核心系統的各項關鍵數據進行可視化呈現，可視化系統的技術難點不在于對數據展示的效果，而在于如何將復雜的輸油氣業務邏輯性的串聯起來。在一頁頁的畫面中，如何讓人了解數據和業務之間的關聯，這就需要對大屏整體的顏色、布局、展示方式及可視化組件的綜合搭建[1-3]。

1.2 可視化系統的技術特點

通常來講，優質的可視化系統技術應當具備這些特點：

1）新穎：可視化系統技術一方面應當是一個非常有效的數據渠道，另外一方面還應當具有一定的新穎性，要符合時代特征及需求。

2）充實：可視化系統技術為人們提供了獲取數據信息的有效途徑，滿足人們的實際需求。

3）高效：可視化系統技術應當具備一個非常清晰的目標。因此，當用戶對信息訪問時，要盡量的直截了當。

4）美感：在對圖形、圖像設計時，主要服務目標是如何有效地表達展示信息[4-6]。任何無助于表現信息的微小因素，在實踐中都可能成為其應用的潛在阻礙，會影響可視化效果、降低效率。

2 可視化系統規劃布局

可視化系統面向不同層次來訪者，主要包括需兩類用戶，分別是參觀交流類用戶及專業操作類用戶。參觀交流類用戶，主要包括政府部門、上級組織、業務相關聯單位，此類用戶多涉及參觀、交流和檢查工作，應通過簡單易懂、美觀舒適的展現方式表達出公司的特色與整體情況。專業操作類用戶，主要包括公司值班人員及業務相關人員，此類用戶熟悉公司運行工作及主要業務，應通過易于發現、對比的展現方式來滿足日常的工作需求。基于此種考慮，將具有相同形式或規律的內容抽象、升華，形成標準樣式即模式，設計出四種模式來直觀展示公司業務場景、推動傳播現有產業生態[7-10]。

2.1 視覺展示

1）布局應符合人的閱讀習慣，該習慣決定了展示內容的層次結構，影響人對內容的接收和理解。整體畫面要有一個清晰的業務邏輯，總體可分為總分結構和鏈式結構兩種敘事方式。總分結構用于表達逐級展開的業務內容，由宏觀到微觀；鏈式結構用于表達整體的業務關系，從左至右依次展示該板塊業務流程。結構化布局使得內容層次清晰、主次分明，整體布局緊湊，節奏感強烈。

調控中心大屏為2行20列拼接，整屏幕寬31 m高1.7 m，橫縱比為18∶1，屬于特別細長比例。根據實際場地布局，參觀者從中部進入大廳，推薦使用由中心向兩側擴展的布局結構。結合普通人的視野范圍因素，可設計顯示布局見圖1。

圖1 顯示布局

2）心理學家認為，人的第一感覺就是視覺，而對視覺影像最大的則是色彩。配色的基本原則是通過不同的鮮明顏色，清晰地標識并劃分各個專業主題，形成視覺慣性，輔助觀眾在復雜的拓撲邏輯中直觀分辨各個專業。大屏的顯示亮度遠超電腦、手機、印刷品，且物理尺寸巨大，在色調的選擇上，淺色系在大屏上播放時會非常刺眼，不利于長時間觀看，且強烈的光感容易導致文字模糊，內容無法得到很好的展現和理解。因此，系統色調不宜選擇淺色基調，應選擇深色系，如深褐色、黑色、深藍色等。在冷暖色系中，暖色調不適合大面積使用，容易令人產生煩躁、焦慮的情緒。

2.2 視野測算

對于被觀察圖像，人眼能分辨的相鄰最近兩點的視角（分辨角）的倒數，叫做人眼的分辨力。從生理角度講，人眼在中等亮度和中等相對分辨率下觀察靜止圖像時，分辨力夾角約為1′～1.5′。本次可視化系統距離為5～12 m，結合上述理論，依據現場條件制作了如下2個參觀點（圖2）。

圖2 視野測算效果

2.3 展示內容規劃

依據公司做好油氣管道運營、保障管道安全和經濟效益、塑造良好企業形象、開創建設世界先進水平國際化管道公司新局面的戰略目標，本次規劃了參觀展示模式、日常監控模式、應急指揮模式和專題模式4個可視化模式。

1）參觀模式：展現公司核心競爭力，表現公司先進性和國際化水平，突出創新型、綜合性、國際先進水平管道公司新局面。本部分內容包括歡迎界面、基本信息展示、企業文化、科技創新、社會責任五大模塊，同時在大屏上按腳本播放生產業務3D模擬飛行動畫，管道以三維立體效果展現，增加液體流動動效，使管道效果更逼真。動畫播放同時搭配氣勢宏偉的背景音樂，快速聚焦參觀者注意力，搭配演講者細致的解說，以震撼的場面效果充分展示公司宏偉的管道成績。

2）監控模式：展現管道運行情況、生產安全情況和經營效益情況。核心內容采用地圖分布和實時數據的形式展現，利用各板塊數據進行組態，實現從總體到具體管線運行情況的比對。

3）專題模式：展現如何保障油氣管道工作的穩健發展。關注特殊時期重點保障內容，打造專題效應，例如冬季氣荒情況下的保供工作。

4）應急模式：突出信息化方式的應急處理優勢，表現管理效率的高效性。通過接入事故單位及相關協同單位視頻會議信號、事故現場監控信號、輔助GIS數據、管道運行趨勢、天氣信息等，全方位展示事故單位的實時災情，及時開展資源調度，全面分析事故影響范圍并編制合理的應對方案。應急模式效果見圖3。

圖3 應急模式效果

3 可視化系統硬件建設

3.1 可視化系統軟件平臺

自主研發一整套可視化實施生產平臺，平臺具有高可靠性、高速度、高安全性和強兼容性等多種優點，系統組件豐富且易于操作。軟件平臺采用B/S架構設計，通過瀏覽器訪問系統、提供圖形化界面、使用HTML5語言實現，可以展示矢量平面圖形、3D圖形及動畫。由于HTML5技術通用性強、社區資源豐富，大大降低了后期系統維護的難度。平臺支持Chrom、Firefox、IE11等多種瀏覽器，支持多個終端展示，如大屏、PC、平板電腦、手機。可以運行在Windows、Linux系統上，支持跨平臺展示。當后端數據源沒有完全接入時，系統支持模擬數據的方式完整顯示前端展示效果。

3.2 可視化系統架構

采用前后端完全分離的系統架構（圖4），通過標準接口和WebSocket進行內部數據交互，后端負責算法處理和數據接口，前端完成視覺展現和交互邏輯，全部功能均在瀏覽器中實現。

前端采用組件化封裝技術，可自由布局圖層，各種組件可根據不同場景及業務需求進行組合和擴展。后端根據不同業務和接口方式劃分功能模塊，建立不同的服務架構設計模塊，保證系統的擴展性并降低了服務之間的耦合度。對接系統采用模塊化、復用性、松耦合的系統架構設計。對接模塊的任何修改都不影響整體構架和其他模塊，并且可以通過擴展服務的方式來增加系統支持的接口種類，并不需要對系統架構進行調整。

圖4 系統構架

3.3 可視化系統數據架構

系統對后端開發語言無限制，支持多種數據接口，包 括WebService、REST API、DB API、SNMP、WebScoket、消息隊列、文件服務器、ElasticSearch檢索服務器、SCADA和DCS工業采集系統等。支持自定義接口中間件開發集成；支持實時采集數據，基于流式計算框架，實時采集并實時加載至數據目的地，并保證對數據源無業務侵入；支持錯誤數據處理；支持任務狀態監控及預警；支持水平擴展性，根據實際數據量進行集群式擴展，滿足高并發需求；支持全流程操作，均基于圖形化界面，無需二次開發。

3.4 可視化系統大屏部署

在可視化視覺布局規劃中，單個工作站最大支持16 K超高分辨率輸出，該系統投放在調控中心2×20的DLP拼接大屏和應急指揮LPD拼接大屏，考慮二者的內容共享方式，推薦使用5個區域大屏硬件模式（圖5）。

超高分處理器硬件系統可實現整屏38400×2 160分辨率下的單一邏輯屏、可視化視圖同步、實時推送，并通過大屏幕部署的分布式處理系統完成可視化與各個調度臺、視頻會議、視頻監控等其他業務信號源的統一調度、切換與投放。二者融合在一起，可以實現多種應用場景下的投屏需求。

在超高分圖形處理投屏模式下，將屏幕劃分為5個區域，每個區域是單一邏輯桌面。通過5臺圖形工作站實現點對點畫面推送，利用可視化系統后端實現各個區域之間的聯動和同步。使用者可以將某個或某些單一邏輯桌面信號源即時切換為大屏分布式處理系統信號，通過硬件切換屏幕顯示畫面。調控中心大屏的5個區域均可共享到應急指揮中心大屏，利用可視化系統前端HTML5的頁面自適應能力，自動調整元素的布局，在共享投屏過程中不發生像素和圖形比例變形。

3.5 可視化系統大屏節能降耗措施

調控中心DLP大屏幕選用比利時Barco ODL-721，具有功耗低、噪音低、發熱量低、運行效率高、部件使用壽命長等優點，完全符合節能環保方面的國標要求。獨創了DLP拼接顯示直流外部供電（由機柜低電壓供電的完全冗余遠程電源管理系統），既減少了控制室內電源冷卻風扇發出的噪音，又能排除任何單點故障。

比利時巴可公司ODL系列RGB三色純激光光源無燈泡、無汞，不會對環境產生有害汞的揮發。ODL視頻屏幕墻外殼100%由循環材料制成，不會出現材料浪費現象。較之傳統UHP燈泡背投系統，使用更少活動部件或耗材即可投影所需光通量和顏色的圖像。Barco ODL-721的正常模式功率為200W，節能模式為120 W，40塊屏正常模式為8 kW，節能模式下僅為4.8 kW，相比其他品牌產品節能效果顯著。應急指揮中心LPD大屏，選用Prysm激光熒光顯示技術，單位顯示平米耗電量為155 W，是全球最節能的顯示拼接技術，符合美國節能與生態環境建筑委員會可持續性LEED綠色評定。可視化系統大屏投用至今14個月總耗電量僅為6 700 kWh。

圖5 可視化系統大屏部署

3.6 可視化系統大屏安全環保措施

1）噪音。巴可大屏運行時所產生的高頻及中低頻噪音，符合國家所界定的國家工業企業廠界噪聲標準，屏前噪音級別小于20 dB，對值班人員影響微小。

2）光線。光污染正在威脅著人們的健康，過量的光輻射對人類生產和生活造成了不良的影響。光污染損害眼睛、誘發癌癥、可能會引起頭痛，疲勞，增加壓力和焦慮。由于調控中心設備眾多，光污染也是一大隱患。動物模型研究已證明，當光污染不可避免時，會對情緒產生不利的影響。可視化大屏系統在設計上符合國家的照度標準，在色彩上采用了深藍色系，避免眼睛直接接觸強烈光線產生刺眼等不舒服的感覺。

4 總結與推廣

1）實時性、準確性。本系統的優勢就是實時性，管道生產數據都是實時更新的，可視化界面的分析結果均為有效的，可供值班人員日常使用，若發生突發事件又可用于應急處置。相較于以往的一些歷史數據的可視化處理及分析，本系統后臺與五大系統相連，更能提供具有高時效性的數據，分析結果也可立即應用。

2）可開發性、可拓展性、可移植性。在可視化界面可以進一步優化拓展。除了本次實現的四種模式下可視化處理，還可以針對不同應用場景，制作新的可視化界面。針對不同的應用情況二次開發。基于開源平臺的可視化界面可以方便地優化拓展。